NEVAC examen Vacuümtechniek Maandag 6 april 2009, 14:00-16:30 uur
Dit examen bestaat uit 4 vraagstukken en 5 pagina’s Vraagstuk 1 (VT-09-1) (20 punten) a. Een moderne draaischuifpomp is voorzien van een zgn. gasballastinrichting. Omschrijf kort het doel en de werking van gasballast. b. Wat verstaat u onder de ‘waterdampverdraagzaamheid’ van een draaischuifpomp? c. Welke functies heeft de olie in een draaischuifpomp? d. Wat maakt dat de olie in een werkende draaischuifpomp een hogere temperatuur krijgt dan kamertemperatuur? e. Noem mogelijke voor- en/of nadelen van een hoge olietemperatuur in een draaischuifpomp.
In bovenstaande figuur zijn de pompsnelheidscurves geschetst van een tweetraps en een ééntraps draaischuifpomp. Curve 1 geldt voor een ééntrapspomp zónder gasballast en curve 1a mét gasballast. Curve 2 geldt voor een tweetrapspomp zónder gasballast en curve 2a mét gasballast. f. Wat is het werkgebied (ongeveer) van de tweetraps draaischuifpomp? g. Waarom is de bereikbare einddruk van de pomp met gasballast groter dan zonder gasballast? h. Waarom is het verschil tussen de einddrukken met en zonder gasballast in de eentraps uitvoering (veel) groter dan in de tweetraps uitvoering?
1
Vraagstuk 2 (VT-09-2) (30 punten) Twee vacuümkamers (systeem 1 en systeem 2) zijn via een handbediende klep met elkaar verbonden. In de normale configuratie is de handbediende klep gesloten. Indien de klep geopend wordt, is deze te beschouwen als een korte buis met een lengte van 100 mm en een gatdiameter van 200 mm. Elk van beide vacuümkamers wordt vacuüm gezogen door een magnetisch gelagerde turbopomp met een pompsnelheid van 250 l/s in combinatie met een voorvacuümpomp. De turbopompen zijn via een verloopflens met een geleidingsvermogen van 920 l/s verbonden aan respectievelijk systeem 1 en 2. Tussen de voorvacuümpompen en turbopompen bevindt zich een klep die automatisch sluit indien de magnetische turbo uitvalt. In beide vacuümkamers worden dunne aluminium (Al) coatings op een substraat aangebracht. De basisdruk in systeem 1 en systeem 2 bedraagt respectievelijk 6.10-8 mbar en 8.10-8 mbar. Het geleidingsvermogen voor lucht bij kamertemperatuur van een korte buis met lengte L (in meters) en diameter D (in meters) wordt gegeven door,
C 92 D 2
4D 3 m /s. 4D 3L
U mag in deze opgave bovenstaande formule alsmede de in bovenstaande tekst genoemde pompsnelheden en geleidingsvermogens gebruiken, ondanks het feit dat u de precieze samenstelling van het gas niet kent. Tijdens het opdampen van Al stijgt de werkdruk in systeem 1 tot 3.10-6 mbar en in systeem 2 tot 5.10-6 mbar. a. Welke type drukmeter zou geschikt zijn om de basis– en werkdrukken in beide systemen te meten? b. Beschrijf de werking van het door u onder vraag a. gekozen type drukmeter. c. Bereken de gasstroom Q van beide systemen indien er geen Al wordt opgedampt. d. Bereken de gasstroom Q van beide systemen indien er Al wordt opgedampt. e. Hoe dient de afstand tussen de Al verdamper en het op te dampen object zich te verhouden tot de gemiddelde vrije weglengte in de vacuümkamer? Op enig moment valt de turbopomp van systeem 2 uit en sluit de klep tussen voorpomp en turbopomp automatisch. Om de productie van gecoate substraten op peil te houden besluit de operator de handbediende klep tussen systeem 1 en systeem 2 te openen. f. Bereken de basisdruk in beide systemen in de nieuwe situatie waarin alleen de turbopomp van systeem 1 aan beide vacuümkamers pompt en de tussenklep open staat. g. Indien de druk tijdens het opdampen van Al boven 1x10-5 mbar stijgt, wordt de Al verdamper automatisch uitgeschakeld. Kan de operator op grond van de uitkomst onder het vorige punt doorgaan met opdampen van Al in beide systemen of dient hij de handbediende klep tussen beide systemen weer te sluiten en alléén in systeem 1 Al op te dampen, om zo te voorkomen dat niet alleen de Al verdamper in systeem 2 maar ook die in systeem 1 wordt uitgeschakeld? Licht uw antwoord toe.
2
Vraagstuk 3 (VT-09-3) (20 punten) Twee diffusiepompen van elk 6000 l/s zijn via een baffle van 6000 l/s en een hoogvacuümklep van 6000 l/s aangesloten op een cyclotronsysteem; zie onderstaand schema.
Uitgangssituatie: Cyclotronruimte op atmosferisch druk, diffusiepompen en voorvacuümpomp ingeschakeld en op werktemperatuur, V1, V2 en V5 dicht, V3 en V4 open. a. Beschrijf aan de hand van het pompschema stap voor stap welke handelingen u achtereenvolgens verricht om de cyclotronruimte vanuit deze uitgangssituatie te evacueren naar hoogvacuüm. De cyclotronruimte wordt vanaf 1 atmosfeer eerst met de voorvacuümpomp op een druk van 1 Pa gebracht. Vervolgens wordt overgeschakeld op de diffusiepompen. De voorvacuümbestendigheid van de diffusiepompen bedraagt 50 Pa. b. Hoe groot moet de pompsnelheid van de voorpomp minimaal worden gekozen, om tijdens dit overschakelen een goede werking van de diffusiepompen te kunnen garanderen? -4
De bedrijfsdruk in de cyclotronruimte met beide diffusiepompen aangesloten is 5.10 Pa. c. Met welke voorpompsnelheid zouden we bij deze bedrijfsdruk kunnen volstaan? d. De hoogvacuümklep V1 wordt gesloten. Veranderen hierdoor de druk in de cyclotron-ruimte en/of de voordruk? Zo ja, tot welke waarde(n)? Toelichting. e. Het volume van de cyclotronruimte is 0,5 m3. De ruimte wordt belucht met omgevingslucht met een relatieve vochtigheid van 70%. Bij de omgevingstemperatuur van 20°C is de dampdruk van water 2340 Pa. Hoeveel Pam3 waterdamp wordt ingelaten? Bereken m.b.v. de ideale gaswet pV = NkT met hoeveel gram water dit correspondeert. Gegeven: k = constante van Boltzmann = 1,38.10-23 Nm/K Moleculaire massa water = M = 18 a.m.e. -27 1 a.m.e. = 1,67.10 kg f. Welk type voorvacuümpomp zou u voor het systeem kiezen? - 1-traps draaischuifpomp - 2-traps draaischuifpomp Beargumenteer uw antwoord. Als hulp kunt u hierbij de figuur in vraagstuk 1 gebruiken.
3
Vraagstuk 4 (VT-09-4) (30 punten) In onderstaand vacuümsysteem kunnen preparaten vanaf 1 atmosfeer in de hoogvacuüm-kamer K2 (volume10 l) worden ingebracht zonder dat daarvoor K2 moet worden belucht. Daartoe is K2 voorzien van een luchtsluis K1 (volume 1 l). Preparaten kunnen via de laaddeur D in de luchtsluis worden geplaatst. Na evacuering van K1 door de voorvacuümpomp VP wordt de schuifafsluiter V2 tussen K1 en K2 geopend en het preparaat m.b.v. een manipulator naar K2 verplaatst. Vervolgens wordt V2 weer gesloten en kan K1 met het beluchtingsventiel V1 weer op 1 atmosfeer worden gebracht. 3 Het hoogvacuüm in K2 wordt verkregen m.b.v. een turbomoleculairpomp TMP van 0,3 m /s. De pomp 3 is via een hoogvacuümklep V4 met geleidingsvermogen van 0,6 m /s aangesloten op K2. Als voorvacuümpomp VP wordt een tweetraps draaischuifpomp toegepast met een pompsnelheid van 72 m3/h.
a. Bereken de effectieve pompsnelheid aan K2. Voor een goede werking van de TMP dient aan twee voorwaarden te worden voldaan: 1) De voordruk mag de voorvacuümbestendigheid van 10 Pa niet overstijgen, 2) De druk aan de pompinlaat mag niet uitstijgen boven ca. 1 Pa. b. Wat is de maximale druk die in K2 mag heersen op het moment dat de hoogvacuümklep V4 wordt geopend? Welke van de twee genoemde voorwaarden is hiervoor bepalend? Licht uw antwoord toe aan de hand van een berekening. c. Het systeem is handbediend. Beschrijf aan de hand van het schema in de figuur stap voor stap alle handelingen die nodig zijn om hoogvacuüm in K2 te bereiken vanuit de begintoestand: alles op 1 atmosfeer, alle afsluiters dicht, pompen op kamertemperatuur. (N.B. de luchtsluis K1 blijft op 1 atmosfeer!). d. Het systeem bevindt zich in de eindsituatie van punt c (K2 op hoogvacuüm). U wilt een preparaat vanaf 1 atmosfeer via de luchtsluis K1 transporteren naar K2. Beschrijf de achtereenvolgende handelingen die u moet verrichten om het preparaat in K2 te plaatsen en vervolgens de luchtsluis weer op 1 atmosfeer te brengen.
4
De einddruk in K2 bedraagt ca. 10-5 Pa. De kamer vertoont geen lekkage. e. De hoogvacuümklep V4 wordt gesloten. Na 10 uur is de druk in K2 als gevolg van ontgassing 2 gestegen tot 2 Pa. Het binnenoppervlak van K2 bedraagt 0,5 m . Bereken de gemiddelde 3 2 ontgassing in de beschouwde 10 uur, uitgedrukt in Pa.m /s.m . Om de gasafgifte en daarmee de einddruk in K2 verder te laten dalen, wordt K2 bij geopende V4 enige uren “gespoeld” met droge stikstof, ingelaten via V7. De stikstof gasstroom wordt afgeregeld op 10-3 Pa.m3/s. f. Bereken de stikstofdruk in K2 tijdens het spoelen. Na het spoelproces is de ontgassing in K2 een factor 3 gedaald. g. Wat wordt nu de einddruk in K2? Er wordt een preparaat in K1 geplaatst. Alvorens het preparaat naar K2 te transporteren, wordt het eerst in K1 m.b.v. van een zgn. “cleaning gas” gereinigd. Daartoe wordt K1 via V3 met de voorpomp VP geëvacueerd tot 10 Pa. Vervolgens wordt V3 gesloten en via V1 10 cc cleaning gas van 1 atmosfeer in K1 ingelaten. h. Bereken de druk van het cleaning gas in K1. i. Deze druk is zo hoog, dat V2 niet zonder meer kan worden geopend. Waarom niet? Laat dit in een berekening zien. Wat doet u eerst en welke achtereenvolgende handelingen verricht u daarvoor.
EINDE
5
Uitwerking examen Vacuümtechniek 2009 Vraagstuk VT-09-1 a. Het doel van een gasballastinrichting is om condensatie van waterdamp in de pomp te voorkomen en op deze manier de pomp beter geschikt te maken voor het verpompen van waterdamp. Werking gasballastinrichting: Tijdens de compressiefase van iedere pompcyclus wordt steeds een beetje atmosferische lucht in de verdichtingsruimte ingelaten. Hierdoor gaat de uitlaatklep eerder open, vindt er minder compressie plaats en kan waterdamp zonder condensatie de pomp verlaten. b. Waterdampverdraagzaamheid: De maximale waterdampdruk in de inlaatruimte waarbij de pomp op bedrijfstemperatuur waterdamp kan verpompen zonder dat in de pomp condensatie optreedt. Bij geopend gasballastventiel is deze waterdampverdraagzaamheid aanzienlijk groter dan zonder gasballast. c. Afdichting, smeermiddel, koelmedium, bescherming tegen corrosie, opvullen schadelijke ruimtes. d. Wrijving en compressiearbeid. e. Voordelen: hogere waterdampverdraagzaamheid, beter ontgaste olie. Nadelen: versneld kraken van de olie, versnelde chemische aantasting bij het verpompen van agressieve gassen/dampen. 5
f. Werkgebied 10 – 5 Pa. g. Tijdens gasballasten is de teruglek groter. Zie ook BBVT pag.202-203. h. In de tweetraps pomp is de gasballast aangebracht op de tweede trap (atmosfeerzijde). Hier fungeert de eerste trap dus als “buffer” tussen de gasballast en de vacuümruimte, dus minder teruglek dan in eentraps pomp. Zie ook BBVT pag. 203.
Vraagstuk VT-09-2 a. ionisatiemanometer met hete of koude kathode. b. Zie BBVT § 5.6 en 5.7. CS 0.92 * 0.25 3 0,1966 m /s C S 0.92 0.25 Seff p1 1,18*10-8 mbar m3/s = 1,18*10-6 Pa m3/s
c. Seff
Q1b Q 2b S eff p 2 1,57*10-8 mbar m3/s = 1,57*10-6 Pa m3/s d. Q1w S eff p1 5,898*10-7 mbar m3/s = 5,898*10-5 Pa m3/s Q 2w S eff p 2 9,83*10-7 mbar m3/s = 9,83*10-5 Pa m3/s e. De druk moet voldoende laag zijn, zodanig dat gemiddelde vrije weglengte in de vacuümkamer veel groter is dan de afstand tussen de Al verdamper en het op te dampen object. f. Q totb Q1b Q 2b Seff p1 → p1 = 1,4*10-7 mbar = 1,4*10-5 Pa 3
Q 2b C korte buis ( p 2 p1 ) 92 * 0,04 * 0,7272 * ( p 2 1,4 * 10 7 ) 1.57.10 8 mbar m /s
→ p2 = 1,46*10-7 mbar = 1,46*10-5 Pa g. Q totw Q1w Q 2w Seff p1 → p1 = 8*10-6 mbar = 8*10-4 Pa 3
Q 2w C korte buis ( p 2 p1 ) 92 * 0,04 * 0,7272 * ( p 2 8.10 6 ) 9,83.10 7 mbar m /s -6
-4
→ p2 = 8,37*10 mbar = 8,37*10 Pa De operator kan dus in beide systemen Al blijven opdampen.
6
Vraagstuk VT-09-3 a. V3 en V4 dicht. V5 open. Bij druk van 1 Pa in cyclotronruimte V5 dicht, V3 en V4 open en vervolgens V1 en V2 voorzichtig open. b. Seff aan cyclotronruimte = 2 x 2 = 4 m3/s. Dus 1 x 4 ≤ SVP x 50 → SVP ≥ 4/50 = 0,08 m3/s = 288 m3/h. c. Bij de bedrijfsdruk van 5.10-4 Pa: 5.10-4 x 4 ≤ SVP x 50 → SVP ≥ 2.10-3/50 = 4.10-5 m3/s = 0,144 m3/h. d. Uit de cyclotronruimte te verpompen hoeveelheid gas blijft onveranderd, terwijl de pompsnelheid aan deze ruimte met de helft vermindert → druk in cyclotronruimte wordt 2x zo groot, voordruk blijft gelijk. e. Er wordt 0,5 x 0,7 x 2340 = 819 Pa.m3 ingelaten. 819 = N x 1,38.10-23 x 293 → N = 2.1023 moleculen H2O. Dit correspondeert met 2.1023 x 18 x 1,67.10-27 = 6.10-3 kg = 6 g water. f) 2-traps draaischuifpomp. Bij een 1-traps pomp sluit het werkgebied van de pomp (105-50 Pa zonder gasballast, 105-500 Pa met gasballast) niet aan bij het verlangde voorvacuüm voor de diffusiepompen (< 50 Pa).
Vraagstuk VT-09-4 a. Effectieve pompsnelheid TMP aan K2: SeffK2 = (1/0,6 + 1/0,3)-1 = 0,2 m3/s. b. Voorwaarde 1: SeffK2.pK2max ≤ SVP.10. Pompsnelheid voorpomp SVP = 72/3600 = 0,02 m3/s; SeffK2 = 0,2 m3/s → pK2max ≤ 1 Pa Voorwaarde 2: SeffK2.pK2max ≤ STMP.1. SeffK2 = 0,2 m3/s; STMP = 0,3 m3/s → pK2max ≤ 1,5 Pa Conclusie: Maximale druk die in K2 mag heersen op het moment dat de hoogvacuümklep V4 wordt geopend pK2max = 1 Pa. Voorwaarde 1 is hiervoor bepalend. c. Zie BBVT, § 4.9.4, pag. 306-307. d. Plaats preparaat via laaddeur D in K1. Sluit V6 en open V3. Wanneer de druk in K1 is gedaald tot ca. 10 Pa, sluit V3 en open V6. Open vervolgens V2, transporteer het preparaat naar K2, sluit V2. Belucht K1 via ventiel V1. e. Gemiddelde ontgassing van K2 in de beschouwde 10 uur: Qontg = (2 x 0,01)/(0,5 x 3600 x 10) = 1,1.10-6 Pa.m3/s.m2. f. Stikstofdruk in K2 tijdens het spoelen: pN2 = 10-3/0,2 = 5.10-3 Pa. g. 10-5/3 = 3,3.10-6 Pa. h. 10 cc = 10-5 m3. Pas wet van Boyle toe: 105.10-5 = pcgK1.10-3 → pcgK1 = 103 Pa. i. Door het openen van V2 vindt er een volumevergroting plaats met een factor 11. Hierdoor zou de 3 2 2 druk in K2 instantaan oplopen tot 10 /11 ≈ 10 Pa. Vlak boven de pomp zou dan de druk 10 /1.5 ≈ 60 Pa worden. Dit ligt boven de maximaal toelaatbare druk van ca. 1 Pa aan de pompinlaat. Daarom eerst K1 met VP evacueren via V3. Procedure: V6 dicht, V3 open. Nadat druk in K1 is gezakt tot ca. 10 Pa, V3 dicht, V6 weer open en vervolgens V2 open. Na plaatsing preparaat in K2 V2 weer dicht en K1 via V1 beluchten.
7
